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基于二维简正模式MEMS超声分离器的设计与流场仿真研究

作　者: 肖茜元
导　师: 丁杰雄
学　校: 电子科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 声辐射力简正振动超声分离悬浮颗粒 MEMS
分类号: TB559
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

流体中的声场会对声速和密度不同于流体的悬浮颗粒产生辐射力,控制流体中的辐射力分布能使颗粒移动到特定位置,因此超声波可以作为一种物理方法来分离流体中的悬浮颗粒。由于微机电系统(MEMS)的结构特点,很多常规的分离方法和设备受到了各种的限制,而超声分离方法却由于非接触、遥操控分离的特点,在微流体中具有极大的潜在应用价值,受到越来越多人们的关注。MEMS超声分离器是利用超声辐射力来控制和移动微流体中悬浮颗粒从而实现流粒分离的装置,可以直接应用在各种经流型的分离过程中。本文根据微分离器的多层谐振结构模型,结合声辐射力相关理论和封闭腔体的简正波理论,设计了一种基于二维简正模式的MEMS超声分离器,并对其进行了仿真优化。主要内容为:1.根据声辐射力的产生机理及流体中悬浮颗粒所受声辐射力,研究了利用平面驻波分离流体中悬浮颗粒的理论方法。介绍了微分离器的多层谐振结构模型和超声波在多层介质中传播的情况,利用声电类比分析了微分离器的声电等效电路,并研究了基于平面驻波模式的MEMS超声分离器特点。2.研究了微分离腔体的简正振动模式,分析了微分离腔简正模式下颗粒的汇聚特性;结合典型的多层谐振结构模型,设计了基于二维简正模式的MEMS超声分离器的具体结构,并研究了微分离器二维简正模式的激发问题,提出了一种双压电片串联反相激发的结构模型;利用ANSYS软件对微分离器的横截面进行了声场仿真,证明了微分离腔中二维简正模式的声辐射力作用效果,并对比了不同激发方式和边壁条件下微分离腔中声场分布的变化。3.借助GAMBIT和FLUENT软件研究了微分离器流腔中层流形成与导出的过程,并对比了不同流腔中流体的流动状态。最后,结合微分离器的制作工艺,完成了微分离器的整体设计。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-15
  1.1 课题研究的意义  9-10
  1.2 超声分离技术的发展概况  10-13
    1.2.1 声辐射力的研究与应用  10-11
    1.2.2 超声分离器的研究与发展  11-13
  1.3 本文的研究内容  13-15
第二章超声分离技术的基础理论  15-25
  2.1 流体中的声学参数  15-17
  2.2 声辐射力的产生机理  17-18
  2.3 流体中悬浮颗粒所受的声辐射力  18-22
  2.4 平面驻波分离悬浮颗粒的原理  22-25
第三章基于平面驻波模式的MEMS 分离器  25-34
  3.1 多层谐振结构的微分离器模型  25-26
  3.2 微分离器的声电等效模型  26-31
    3.2.1 平面波在多层介质中的传播  26-29
    3.2.2 声电类比与微分离器的等效电路  29-31
  3.3 基于平面驻波模式和层流的MEMS 超声分离器  31-34
第四章基于二维简正模式的微分离器的设计与仿真  34-58
  4.1 分离腔的简正振动模式  34-36
  4.2 基于二维简正模式的MEMS 超声分离器的设计  36-42
    4.2.1 MEMS 超声分离器的结构和制作工艺  36-39
    4.2.2 微分离器二维简正模式的激发  39-40
    4.2.3 分离器横截面的尺寸设计  40-42
  4.3 微分离器的声场仿真  42-58
    4.3.1 有限元分析法及ANSYS 软件介绍  42-43
    4.3.2 ANSYS 中声学问题的处理原理  43-49
    4.3.3 基于ANSYS 软件的二维微分离腔声场仿真  49-56
    4.3.4 微分离腔中声场分布的对比研究  56-58
第五章超声分离腔的流场仿真研究  58-71
  5.1 CFD 仿真软件FLUENT 介绍  58-60
  5.2 微分离腔层流仿真的预处理  60-63
  5.3 微分离腔的层流仿真结果与结构优化  63-67
  5.4 基于二维简正模式的MEMS 超声分离器的整体设计  67-71
第六章总结与展望  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-76
在学期间的研究成果  76-77

基于二维简正模式MEMS超声分离器的设计与流场仿真研究

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